CN207351807U - 用于陶瓷材料降温热冲击实验的表面瞬态温度测量装置 - Google Patents

Abstract

用于陶瓷材料降温热冲击实验的表面瞬态温度测量装置，该装置包括陶瓷材料试件、测温热电偶、金属丝、导线和计算机；测温热电偶采用铠装热电偶，陶瓷材料试件表面加工有一个浅形凹槽，测温热电偶前端感温部对准并落入凹槽之内；金属丝将测温热电偶紧贴陶瓷材料试件缠绕并固定在一起；测温热电偶通过所述导线与计算机连接。本装置由于采用具有一定的强度的铠装热电偶，可与试件固定定好后一起进出加热炉和冷却介质，进而全程实时测量、记录试件表面的瞬态温度变化；另外，本装置无需在热电偶感温部粘接覆盖层，因而可迅速感知陶瓷材料表面温度场的急速瞬态变化参量，使试验结果准确、可靠；该装置还具有结构简单，易操作，实用性强等优点。

Description

用于陶瓷材料降温热冲击实验的表面瞬态温度测量装置

技术领域

本实用新型涉及温度冲击试验研究领域，具体涉及一种用于陶瓷材料降温热冲击实验的表面瞬态温度测量装置。

背景技术

陶瓷材料因其熔点高，且在高温下具有很好的化学及物理稳定性等优异性能而被广泛应用于高温结构领域，如导弹、航天飞机等高超声速飞行器的热防护材料及发动机的热端等。但是,由于飞行过程中气动加热会产生瞬态高温以及极高热流，而滑翔阶段又会经历瞬态低温，飞行器的结构部件因此要遭受由温度剧变带来的巨大热冲击。陶瓷材料自身存在的弱点脆性大、导热系数低等，使得结构部件的可靠性受到严重影响。飞行过程中结构件破坏的主要原因就是热冲击产生的瞬时温度梯度导致的材料内部热应力。因此在地面试验中测量与记录在极端热环境下，材料表面温度的动态变化过程，对于高超声速飞行器的热防护与安全设计有着极为重要的实际意义。

抗热冲击性能研究的实验方法主要有两种：一种是加热冲击，另一种是冷却热冲击。目前用于陶瓷材料热冲击研究的表面瞬态温度测量装置，主要用于研究加热冲击，采用将测温热电偶粘接或压接在材料表面的方式。采用粘接的方式，在高温下容易脱胶分离导致表面温度测量不准确，且粘接层有一定的厚度，影响热传导速度，测温热电偶不能立即反应出材料表面温度的急速变化。而压接的方式，只能研究电偶和试件固定不动情况下的加热冲击，难以研究需要将试件和电偶同时从热环境快速转移到冷环境的冷却热冲击情况。

由于陶瓷材料表面受到拉应力(急冷时)比受到压应力(急热时)更容易引起破坏，所以陶瓷材料的急冷比急热更危险，冷却热冲击的相关研究也同样非常重要。因此，必须开发新的用于陶瓷材料降温热冲击研究的表面瞬态温度测量装置，来可靠地记录高超声速飞行器降温热冲击试验过程中材料表面温度场的动态变化情况，以保证试验的可靠性。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于陶瓷材料降温热冲击实验的表面瞬态温度测量装置，该装置能够准确和可靠地测量与记录高超声速飞行器降温热冲击试验过程中，陶瓷材料试件表面温度场的高速动态变化，且结构简单，使用方便，为导弹、航天飞机等高超声速飞行器的热强度校核与安全防护设计提供可靠的试验依据。

为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：

一种用于陶瓷材料降温热冲击实验的表面瞬态温度测量装置，其特征在于包括：测温热电偶、陶瓷材料试件、金属丝、导线和计算机；所述的测温热电偶采用铠装热电偶，在陶瓷材料试件表面加工有一个与测温热电偶前端的感温部大小匹配的浅形凹槽，测温热电偶前部呈弧形，使热电偶前端感温部对准并落入浅形凹槽之内；所述金属丝将测温热电偶紧贴陶瓷材料试件缠绕并固定在一起；所述测温热电偶通过导线与计算机连接。

优选地，所述金属丝采用直径为0.3-0.5mm的细铜丝。

本实用新型具有以下优点及突出新的技术效果：①铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，且具有一定的强度，与试件固定好后可以带同试件一起进出加热炉和冷却介质，进而全程实时测量、记录试件表面的瞬态温度变化。②细铜丝柔韧性好，方便缠绕固定热电偶和试件，而且铜的导热性好，直径很小的情况下基本不影响热冲击试验中对试件表面热传递的影响。③由于热电偶前端感温部没有粘接覆盖层，热电偶感温部可迅速感知陶瓷材料表面温度场的急速瞬态变化参量，通过计算机记录，并计算出冷却热冲击试验过程中，陶瓷材料表面温度的高速变化曲线，使试验结果准确、可靠。④该装置还具有结构简单，易操作，实用性强等优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为使用本实用新型测得的某ZrB₂基陶瓷材料试件在600℃热冲击过程中试件表面的温度变化曲线图。

图3为图2中降温段曲线对应的微分曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。

图1为本实用新型提供的一种用于陶瓷材料降温热冲击实验的表面瞬态温度测量装置的结构原理示意图，该装置包括测温热电偶4、陶瓷材料试件1、金属丝5、导线6和计算机7；所述测温热电偶4采用具有一定强度的可任意弯曲的铠装热电偶，在陶瓷材料试件1表面加工有一个与测温热电偶4前端的感温部3大小匹配的浅形凹槽2，测温热电偶4前部弯成合适的弧形，使热电偶前端感温部3对准并落入浅形凹槽2之内，浅形凹槽2限制感温部3的横向移动；用金属丝5将测温热电偶4紧贴陶瓷材料试件1缠绕固定好，使热电偶前端感温部3与陶瓷材料试件1表面始终保持紧密接触，同时保证在整个进出加热炉和冷却介质的测试过程中测温热电偶4与陶瓷材料试件1同时移动而不会发生松动，确保测温结果的准确性和可靠性；热电偶前端感温部3感知到陶瓷材料试件1表面的温度变化，并将温度变化转变为电信号，经导线6送入计算机7进行存储与计算，测得陶瓷材料试件1表面温度的急速瞬态变化。

所述的铠装热电偶的材质和直径可根据热冲击目标加热温度合理选取，铠装电偶丝长度根据加热炉和实际操作需要合理选取；电偶直径以能承受试件的重量而不会使电偶弯曲变形的最小直径为宜，太细了强度不够容易出现弯曲现象，影响操作和测量结果，太粗了测温响应速度比较迟缓，会引起高速动态测量误差增大。

所述金属丝采用直径为0.3-0.5mm的细铜丝为好；太细了强度不足以承受试件的重量，从而导致热电偶与试件固定好后一起进出加热炉和冷却介质的过程中出现松动，影响测量结果的准确性，太粗了则会影响实验中的热传递；所述细铜丝应为一完整段且具有合适的长度，缠绕时可分别从垂直测温热电偶和平行测温热电偶两个方向将测温热电偶紧贴陶瓷材料试件缠绕固定，以保证缠绕时的固定效果；缠绕固定时，细铜丝的缠绕圈数以能固定好为宜，不宜过密，以减少试验中对试件表面热传递的影响。

所述陶瓷材料试件表面加工一个大小与测温热电偶前端的感温部大小匹配的浅形凹槽2，起到平面限位的作用，避免试验时热电偶前端感温部的横向移动，保证测温过程中热电偶与陶瓷材料试件表面的可靠接触。

在陶瓷材料降温热冲击试验中，由于铠装热电偶具有一定的强度，与陶瓷材料试件固定好后，可带同陶瓷材料试件一起放入加热炉中保温至达到热平衡后，再一起迅速放入到冷却介质中；同时，整个试验过程中热电偶与陶瓷材料试件表面保持可靠接触，热电偶可以全程实时测量、记录试件表面的瞬态温度变化。

实施例：测温热电偶4采用电偶丝直径为1.5mm、长度为600mm的K型铠装热电偶，细铜丝5直径为0.3mm；用细铜丝5将测温热电偶4紧贴陶瓷材料试件1缠绕固定好，使热电偶前端感温部3与陶瓷材料试件1表面始终保持紧密接触，同时保证在整个进出加热炉和冷却介质的测试过程中测温热电偶4与陶瓷材料试件1同时移动而不会发生松动。

在陶瓷材料降温热冲击试验中，将测温热电偶4紧贴陶瓷材料试件1缠绕固定好后，一起放入加热炉中保温至达到热平衡后，再一起迅速放入到冷却介质中，整个试验过程中，与陶瓷材料试件1表面紧密接触的测温热电偶前端感温部3，检测到陶瓷材料试件1表面的温度变化，并将温度变化转变为电信号，经导线6送入计算机7进行存储与计算，得出陶瓷材料试件1表面温度的动态变化曲线，如图2(热冲击加热温度为600℃，冷却介质温度为20℃)所示。

由图2可以看到，在整个试验过程中，测控温度曲线平滑，没有抖动现象。证明了本实用新型在整个热冲击试验过程中，能够准确有效地对陶瓷材料试件1表面温度的动态变化进行实时测量与记录。

从图3可以看出，淬火冷却热冲击是一个极快的过程，陶瓷材料试件1的表面温度在3秒钟内就从热冲击加热温度600℃达到了冷却介质温度20℃，在0.5秒钟内，瞬时温度变化就达到了最大值500℃/s左右。

本实用新型说明书中未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种用于陶瓷材料降温热冲击实验的表面瞬态温度测量装置，其特征在于包括：测温热电偶(4)、陶瓷材料试件(1)、金属丝(5)、导线(6)和计算机(7)；所述的测温热电偶(4)采用铠装热电偶，在陶瓷材料试件(1)表面加工有一个与测温热电偶(4)前端的感温部(3)大小匹配的浅形凹槽(2)，测温热电偶(4)前部呈弧形，使热电偶前端感温部(3)对准并落入浅形凹槽(2)之内；所述金属丝(5)将测温热电偶(4)紧贴陶瓷材料试件(1)缠绕并固定在一起；所述测温热电偶(4)通过导线(6)与计算机(7)连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于陶瓷材料降温热冲击实验的表面瞬态温度测量装置,其特征在于：所述金属丝(5)采用直径为0.3-0.5mm的细铜丝。